(57)【要約】【課題】  複雑な製造工程を必要とすることもなく、高い断熱性が得られ、低エネルギでも良好に動作する発熱抵抗素子から成る電子部品を提供する。【解決手段】  基板上に蓄熱層を形成し、この蓄熱層上に発熱抵抗体層を形成し、この発熱抵抗体層の上に個別電極及び共通電極を形成し、この発熱抵抗体層と前記個別電極及び共通電極とを保護膜層で被覆してなる発熱抵抗素子において、前記発熱抵抗体層下には、炭素原子または炭素原子を含む分子からなるナノカーボン材料により熱遮断層を形成したことを特徴とする発熱抵抗素子。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に蓄熱層を形成し、この蓄熱層上に発熱抵抗体層を形成し、この発熱抵抗体層の上に個別電極及び共通電極を形成し、この発熱抵抗体層と前記個別電極及び共通電極とを保護膜層で被覆してなる発熱抵抗素子において、前記発熱抵抗体層下には、炭素原子または炭素原子を含む分子からなるナノカーボン材料により熱遮断層を形成したことを特徴とする発熱抵抗素子。
【請求項２】
前記発熱抵抗体層下の熱遮断層は、その硬度が50〜3000[ｋｇ／ｍｍ2]であることを特徴とする請求項１記載の発熱抵抗素子。
【請求項３】
前記発熱抵抗体層下の熱遮断層は、その熱伝導率が0.02〜0.2[Ｗ／ｍ・Ｋ]であることを特徴とする請求項１記載の発熱抵抗素子。
【請求項４】
前記発熱抵抗体層下の熱遮断層は、その膜厚が1〜10[μｍ]であることを特徴とする請求項１記載の発熱抵抗素子。
【請求項５】
請求項１〜４のうちいずれか一項記載の発熱抵抗素子を備えたサーマルヘッド。
【請求項６】
請求項５記載のサーマルヘッドを備えた、紙が直接発色するダイレクトサーマルプリンタ。
【請求項７】
請求項５記載のサーマルヘッドを備えた、昇華型または溶融型転写リボンを使用した熱転写式プリンタ。
【請求項８】
請求項５記載のサーマルヘッドを備え、加熱温度や加熱の制御方法により、印字媒体の発色と消去が可能なリライタブルサーマルプリンタ。
【請求項９】
請求項１〜４のうちいずれか一項に記載の発熱抵抗素子を備えたサーマル式またはバブル式のインクジェットヘッド。
【請求項１０】
請求項９記載のインクジェットヘッドを備えたインクジェットプリンタ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱抵抗素子に係り、特に電池駆動によって使用される携帯型のものなど、高効率の仕様が要求されるものに関する。たとえば、サーマルプリンタに使用されるサーマルヘッドや熱によってインクを吐出するサーマル式とバブル式のインクジェットヘッドなど、発熱抵抗素子を保有する電子部品において、省電力化を図る用途に有効なものである。
【背景技術】
【０００２】
発熱抵抗素子を駆動する電子部品として代表的なものに、サーマルヘッドおよび熱によってインクを吐出するサーマル式とバブル式のインクジェットヘッドがある。一般にサーマルヘッドは、図２に示すように、アルミナセラミックスなどからなる基板上にガラスなどからなる蓄熱層を敷設したもの（たとえばグレーズ基板）に、複数の発熱抵抗体層を列状に形成し、各発熱抵抗体層には、アルミニウム、銅、金、銀などからなる個別電極ならびに共通電極をそれぞれ接続し、発熱抵抗体層およびその周辺に位置する電極を保護膜により被覆して構成される。そして、サーマルヘッドの発熱抵抗体層を選択的に発熱させることにより、感熱記録媒体へ伝熱させて記録を行うようになっている。
【０００３】
サーマル式とバブル式のインクジェットヘッドは、図４に示すように、シリコンなどからなる基板上に二酸化珪素系の被覆塗布膜などからなる蓄熱層を敷設したものに、サーマルヘッドと同様に、複数の発熱抵抗体層を列状に形成し、各発熱抵抗体層には、アルミニウム、銅などからなる個別電極と共通電極をそれぞれ接続し、発熱抵抗体層およびその周辺に位置する電極を保護膜により被覆して構成される。そして、インクジェットヘッドの発熱抵抗体層を選択的に発熱させることにより、インクに発生する泡による弾ける力やインクを押し出す力によって、インクを受像体に着弾させ記録を行うようになっている。
【０００４】
このようなサーマルヘッドやインクジェットヘッドなどを使用する機器において、近年携帯用途を中心とした、電池による駆動を行うようにした省電力型のものが普及しつつある。また、昨今、環境配慮という観点によるエネルギ事情から、電池を使用しない据え置き型の電子機器においても、省電力化が非常に重要になってきている。
【０００５】
このような省電力を目的とした発熱抵抗素子部品においては、蓄熱層や基板などを通しての放熱をできるだけ抑制して、発熱抵抗素子を構成する発熱抵抗体層への印加電圧が、電池などの低い電圧でも駆動でき、また、低消費電力でも良好な記録ができるようにしている。このような発熱抵抗素子は、従来のガラスや二酸化珪素系の材料より熱伝導率の小さい材料を蓄熱層として選択するのが良い。実際にその有効な手段として、発熱抵抗体層の下部に空間層を形成して、発熱抵抗体層の発熱が蓄熱層や基板方向に伝達されにくくしたものが知られている。
【特許文献１】特開平2004-188872号公報（第５頁、第１図）
【特許文献２】特開平7-227968号公報（第５頁、第１図）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
サーマルヘッドやインクジェットヘッドなどを構成する発熱抵抗素子への印加電圧が低電圧であっても駆動でき、低電力でも良好な動作ができるようにする方法として、製造工程における発熱抵抗素子構造の形成プロセスにおいて、発熱抵抗体層の下に熱伝導を抑制する空間層を形成することが非常に有効であるが、空間層を形成するために製造工程が非常に複雑なものとなっており、その結果、製造コストの増大を招いていた。また、構造上、空間層が存在することによるこの部分の強度不足の問題や発熱抵抗体層下の空間層に残留するガスによる発熱抵抗体層の酸化等の問題など、信頼性上の問題点も指摘されていた。
【０００７】
一方、空間層を配した場合に近い熱伝導率の固体層を選択しようとした場合、それらは材料の性質上、柔らかい樹脂や多孔質状の材質であったり、繊維状または粉末状であったりと、発熱抵抗素子で構成されるサーマルヘッドやインクジェットヘッドなどの電子部品として、膜構造を形成するに十分な硬度を有しないため、これまで使用することができなかった。
【０００８】
そこで本発明の目的は、簡易な工程で作成可能で発熱効率の良い発熱抵抗素子を提供することとする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
前記課題を解決するために、基板上に蓄熱層を形成した後、この蓄熱層上には、発熱抵抗体層の下に位置するように、炭素原子または炭素原子を含む分子からなるナノカーボン材料により熱遮断層を形成した。
ここで、ナノカーボン材料とは、炭素原子が球状または筒状に繋がり、直径がナノメートルサイズのものである。代表的なものとしてフラーレンとカーボンナノチューブがある。フラーレンは、60個以上の炭素原子がカゴ状に繋がった直径約1ナノメートルの中空な粒子であり、グラファイト、ダイヤモンドに次ぐ第三の炭素とも呼ばれている。カーボンナノチューブは、炭素原子6個のベンゼン環で構成されるグラファイトシートがらせん状に丸まり、円筒状に成長した炭素結晶である。近年は、炭素以外の原子を含むものの研究がさかんに行なわれ、これも広義のナノカーボン材料と呼ぶことができる。ナノカーボン材料は、特異な電気化学特性、機械的特性、光学的特性を示すことが実証されている。これらを利用して、エネルギ分野、シリコン半導体分野、エレクトロニクス分野、医療分野などでの応用が考えられている。
【００１０】
本発明において、基板に膜形成を行なうには、比較的柔らかい金属であるアルミニウムと同程度以上あることが望ましく、50 [ｋｇ／ｍｍ2] 以上にする必要がある。炭素元素は、ダイヤモンド結合をとった場合、非常に高硬度な膜が得られ、理論的には3000 [ｋｇ／ｍｍ2]程度まで可能である。しかしながら、一般に硬度が高くなるに従い密度が高くなり、熱伝導率も高くなる傾向があるので、熱伝導を考慮した場合、硬度は低めの方が好ましい。よって、本発明における熱遮断層の硬度は50〜800[ｋｇ／ｍｍ2]が妥当である。
【００１１】
従来のサーマルヘッドやインクジェットヘッドなどの一般的な蓄熱層であるガラスや二酸化珪素材料の熱伝導率は、0.7〜1.0[Ｗ／ｍ・Ｋ]であるため、かなりの熱量が基板側に逃げてしまっている。本発明においては、ナノカーボン材料によって熱伝導率が大幅に小さい熱断熱層を形成するため、樹脂等と同等の0.2[Ｗ／ｍ・Ｋ]以下になる。また、炭素原子の結合を制御することにより、炭素原子を球状あるいは筒状の構造体にし、分子の中に真空の空洞部分を存在させるため、熱伝導率が空気などの気体と同等の0.02[Ｗ／ｍ・Ｋ]程度まで下げることが可能である。
【００１２】
また、膜厚は、熱遮断効果が得られるには厚い方が好ましいが、1[μｍ]程度でも効果がある。厚い方が、熱遮断効果が高いとはいえ、ある程度以上では効果が飽和状態になるため、10[μｍ]以下で十分である。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、発熱抵抗体層下の熱遮断層によって、熱が蓄熱層や基板へ逃げにくいので、従来の発熱抵抗素子の印加エネルギよりも非常に小さな印加量によっても、従来と同等の発熱温度が得られることになるため、大変効率の良い発熱抵抗素子を提供することができる。
【００１４】
しかも、従来の発熱抵抗素子と比べて製造工程が一工程多いだけなので、空間層を形成した構造によって高効率化を図った発熱抵抗素子と比べて、製造コストを大幅に抑えることができる。また、構造上、本発明の熱遮断層は機械的強度が十分であり、発熱抵抗体層の耐酸化性も回避できるため、信頼性上の問題が発生することはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
【実施例】
【００１６】
以下、本発明による発熱抵抗素子として、サーマルヘッドの製造方法を例にとって詳述する。
【００１７】
図２は、従来のサーマルヘッドの発熱抵抗素子部分の断面図である。図２において、基板１は、サーマルヘッドで一般的に用いられるアルミナセラミックス基板またはガラス基板等である。アルミナセラミックス基板を使用する場合、基板上には発熱した発熱抵抗体の熱量を基板に放出させにくくするためのガラス等の蓄熱層２が形成されなければならないが、ガラス等を使用する場合は、蓄熱層を兼ねるので必要としない。
【００１８】
以下、薄膜プロセスを用いたサーマルヘッドを例に詳述する。蓄熱層２上には、スパッタリングやＣＶＤ（化学気相成長法）、蒸着等の薄膜形成法によって、窒化タンタル、ニクロムをはじめとする金属化合物等による発熱抵抗体層４を積層し、フォトレジスト材料を用いたフォトリソグラフィ工程によりパターニングを行った後、非フォトレジスト被覆部分を除去するエッチング工程を経て、発熱抵抗体パターンを形成する。同様にアルミニウム、銅、金、銀などからなる個別電極５の配線パターンを積層し、発熱抵抗素子部を形成する。
【００１９】
共通電極６は、個別電極５のみの１〜２[μｍ]の配線のみでは電圧降下等の問題があるため、必要に応じて蒸着等によりアルミニム等を厚く成膜したり、銀やパラジウム、白金等を印刷で厚く形成する工程等を追加することによって、配線抵抗値の低減を図る。なお、本工程は、発熱体抵抗体層４および個別電極５のパターン形成前に工程設定を行なっても良い。
【００２０】
さらに、上層には発熱抵抗体層４、個別電極５や共通電極６を摩耗や腐食から保護するための保護膜７が被覆される。この材料としては、五酸化タンタルや、サイアロン、炭化シリコン、ダイヤモンドライクカーボンなどが知られている。
【００２１】
本発明によるサーマルヘッドにおいては、図１に示すとおり、蓄熱層２の上であって、発熱抵抗体層４の下に位置する部分に、炭素原子または炭素原子を含む分子から成る熱遮断層３を形成する。
【００２２】
次ぎに、本発明による発熱抵抗素子として、サーマル式とバブル式のインクジェットヘッドの製造方法を例にとって詳述する。
【００２３】
図４は、従来のインクジェットヘッドの発熱抵抗素子部分の断面図である。図４において、基板１は、近年はドライバ回路である半導体素子を同じ基板に形成するため、シリコン基板を使用されることが多い。シリコン基板を使用する場合、基板上には発熱した発熱抵抗体の熱量を基板に放出させにくくするための二酸化珪素系材料の被覆塗布膜等の蓄熱層２が形成されなければならない。
【００２４】
蓄熱層２上には、スパッタリングやＣＶＤ（化学気相成長法）、蒸着等の薄膜形成法によって、窒化タンタル、ニクロムをはじめとする金属化合物等の発熱抵抗体層４を積層し、フォトレジスト材料を用いたフォトリソグラフィ工程によりパターニングを行った後、非フォトレジスト被覆部分を除去するエッチング工程を経て、発熱抵抗体パターンを形成する。同様にアルミニウム、銅などからなる個別電極５と共通電極６の配線パターンを積層し、発熱抵抗素子部を形成する。
【００２５】
さらに、上層には発熱抵抗体層４、個別電極５や共通電極６を大気やインクによる腐食から保護するための保護膜７が被覆される。この材料としては、二酸化珪素、窒化珪素や金属と絶縁物の混合材料が知られている。
【００２６】
本発明によるインクジェットヘッドにおいては、図３に示すとおり、蓄熱層２の上であって、発熱抵抗体層４の下に位置する部分に、炭素原子または炭素原子を含む分子から成る熱遮断層３を形成する。
【００２７】
その後、基板裏面からの異方性エッチング技術を用いてインク経路８を形成し、さらに犠牲層エッチング技術を用いて、感光性樹脂等によるインクのノズルパターン層９を形成する工程を経て、発熱抵抗体素子を搭載した基板工程が完了する。基板工程が完了したものは、チップ状に切り出された後、インク流路壁１０または直接インクタンクが貼り付けられてヘッドが完成する。
【００２８】
一方、本発明によるサーマルヘッドやインクジェットヘッドの熱遮断層の形成方法について、いくつかの例を挙げて説明する。
【００２９】
本発明による熱遮断層３を形成するための第一の実施例を以下に示す。
【００３０】
近年、ナノテクノロジの発達に伴って、炭素原子を操作して、様々な特性を持った機能性材料（ナノカーボン）を作製できるようになっている。代表的な材料として、炭素原子がかご状に結び付いてできた中空の分子で、その炭素原子６０個がサッカーボールの模様状に結合したフラーレンＣ60というものが有名である。
【００３１】
フラーレンは、炭素原子に囲まれた中心は真空であるため、他の固体に比べて熱伝導率が非常に小さく、熱遮断層として有効である。しかしながら、フラーレンの単分子では固体状に存在しえないため、重合させて膜状に形成させる必要がある。フラーレンの薄膜製造法には有機分子線蒸着法や真空蒸着法などが存在するが、フラーレン分子形成工程と紫外線照射またはＲＦプラズマ等のエネルギ印加工程を繰り返し行なうことにより、フラーレンの炭素原子の一部の結合が切れるのと、隣接するフラーレン分子の炭素原子との結合が繰り返されて、膜状に重合して成長させることが可能である。
【００３２】
このように精製されるフラーレン薄膜は、ビッカース等の硬度測定方法によるもので50〜800[ｋｇ／ｍｍ2]となるようにしながら、その熱伝導率が0.02〜0.2[Ｗ／ｍ・Ｋ]であるようにすることが可能である。成膜条件によって、重合が過度であれば熱伝導が大きくなり、不足であれば硬度が低下するので、所望の仕様値に合わせて条件を決定するのが良い。また、フラーレンの構造は、Ｃ60よりも炭素の原子構成がより高次であるＣ70やＣ80などを採用することにより、熱伝導率をさらに低下させることができる。
【００３３】
次に、本発明による第二の実施例を以下に示す。
【００３４】
純度の高いフラーレン分子の原料を、トルエン等の有機溶剤に溶解したものを、紫外線照射等によって、光反応によって成膜させる方法がある。必要な熱遮断層としてのフラーレンの膜厚は、精製された膜の熱伝導率にもよるが、１〜２[μｍ]でも効果があるとはいえ、厚い方が熱遮断層として効果が高い。しかしながら、厚い膜にすることは、製造コストや生産性、膜応力の問題等を鑑みると必ずしも良いとは言えない。
【００３５】
本方法によれば、炭素原子の純度が非常に高いフラーレンを簡単な設備によっても精製することができ、成膜速度も速く、非常に生産性が高い。
【００３６】
次に、本発明による第三の実施例を以下に示す。
【００３７】
フラーレンとならび有名なナノカーボン材料として、炭素原子が円筒状の構造をとるカーボンナノチューブが知られている。カーボンナノチューブは、炭素原子が長手方向につながっているため、この方向に膜成長した場合、熱伝導率は非常に良好になるので、熱遮断層としては不適である。よって、膜成長方向と垂直な方向に炭素原子が結合した構造のものが必要になる。
【００３８】
本発明のようなカーボンナノチューブを成長させる方法として、ＣＶＤ法を用いた場合、理論上バイアス電圧の制御等によって、分子成長の方向を変える方法が考えられる。また、面方向の熱拡散を防ぐために、ナノチューブの終端が閉じた構造で、これが連続して重合した構造が望ましい。あるいは、面方向の熱拡散を防ぐ手段としては、発熱抵抗体層の直下のみに選択的に形成しても良い。また、円筒が多重に構成されるカーボンナノチューブの存在が知られており、熱伝導上、有利であることが期待される。
【００３９】
以上のように、サーマルヘッドなど、従来の発熱抵抗素子で相当量の熱が蓄熱層２や基板１に逃げてしまっていたものが、本発明によるサーマルヘッドなどの発熱抵抗素子は、発熱抵抗体層４の下に十分な硬度を持つ炭素原子または炭素原子を中心とした分子より構成されたナノカーボン材料によって、低熱伝導の熱遮断層３が形成されるため、非常に高い断熱効果が期待でき、低消費電力でも駆動可能な高効率の発熱抵抗素子を供給することが可能となる。また、空間層を熱遮断層とするものと比較して、大幅に製造コストを下げることが可能であり、発熱抵抗素子部の強度不足や発熱抵抗体層の酸化などの信頼性の問題も発生することがない。
【００４０】
尚、本実施例では、薄膜プロセスを用いたサーマルヘッドについて説明を行なったが、個別電極および発熱抵抗体を、それぞれレジネート金や酸化ルテニウム等を使用する厚膜プロセスを用いたサーマルヘッドについても同様の効果が得られる。
【００４１】
サーマルヘッドは、その構造によって、全面グレーズ型や部分グレーズ型、端面型などがある。また、使用形態によっても、直接感熱型、熱転写型、再転写型などが存在するが、本発明は、すべてのサーマルヘッドに応用可能なものである。
【００４２】
また、本実施例においては、サーマルヘッドの他に、熱によってインクを吐出するサーマル式またはバブル式のインクジェットヘッドに対して説明を行なったが、他の発熱抵抗体素子を使用した用途についても応用が可能である。たとえば、サーマルヘッドとほぼ同様の構造である熱消去ヘッドや、熱定着を必要とするプリンタなどの定着ヒータ、光導波路型光部品の薄膜発熱抵抗素子等、他の膜状の発熱抵抗素子を保有する電子部品でも同様の効果が得られる。
【００４３】
よって、本発明の効果は、本実施例に挙げたものに限定されるものではなく、様々な発熱抵抗素子およびこれを用いた部品や装置に応用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係るサーマルヘッドの例（断面図）である。
【図２】従来のサーマルヘッドの例（断面図）である。
【図３】本発明に係るインクジェットヘッドの例（断面図）である。
【図４】従来のインクジェットヘッドの例（断面図）である。
【符号の説明】
【００４５】
１    基板
２    蓄熱層
３    熱遮断層
４    発熱抵抗体層
５    個別電極
６    共通電極
７    保護膜層
８    インク流路
９    ノズルパターン層
１０  インク流路壁
【図１】
2006137136.tif 000003
【図２】
2006137136.tif 000004
【図３】
2006137136.tif 000005
【図４】
2006137136.tif 000006